振動信號同步采集系統的設計

郭慶 胡文俊 徐翠鋒

摘要：基于單片機控制技術，設計了一種基于壓電傳感器的四通道振動信號采集系統。系統采用了PVDF壓電薄膜傳感器采集振動信號，采集到的振動信號通過調理電路轉換成電壓并放大，調理后的四路信號輸入到采樣保持電路、模擬開關電路，最終由STM32F103ZET6單片機控制信號的采樣和A/D轉換并通過USB串口將數據傳輸到上位機。由上位機實時顯示振動信號的波形以及通道的選擇、切換。該系統具有成本低廉、操作簡單等特點，可以靈敏的采集到振動信號并直觀的在上位機實時顯示。

關鍵詞：PVDF壓電薄膜傳感器;振動信號;同步采集

中圖分類號：TP212? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）20-0255-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Based on the control technology of single chip microcomputer， a four-channel vibration signal acquisition system based on piezoelectric sensor is designed. The system adopts PVDF piezoelectric film sensor to collect vibration signal. The collected vibration signal is converted into voltage and amplified by the conditioning circuit. The four signals after conditioning are input to the sample-and-hold circuit and the analog switch circuit， and finally the signal is controlled by STM32F103ZET6 single-chip microcomputer. Sampling and A/D conversion and transfer data to the host computer via the USB serial port. The waveform of the vibration signal and the selection and switching of the channel are displayed in real time by the host computer. The system has the characteristics of low cost， simple operation， etc.， and can collect the vibration signal sensitively and display it in real time in the upper computer.

Key words： PVDF piezoelectric film sensor; vibration signal; synchronous acquisition

振動在人們的工作、生活中隨處可見，振動信號在地質勘測、地震監測、機械檢測等領域上則尤為重要。隨著科學技術地不斷發展，人們對振動信號的認識更加深入，對振動信號采集的研究則提出了更高的要求。

振動信號采集與分析技術是機械動力學和電子技術相結合的一門嶄新的學科，是機械動力學工程應用的一個極為普遍的方面[1]。在工程設計上既要考慮采集裝置的靈敏度、穩定性、便捷性等問題，也要考慮其價格、成本、體積等因素。有時候為滿足某些特殊場所的要求，人們對采集裝置的實時性也有很高的要求，往往需要將采集到的振動信號實時傳輸到PC機上并直觀地顯示出來。

目前大多數的振動測量系統便攜性比較差，體積大，不便于在工業現場靈活使用[2]。振動信號的采集在軍事、工業生產、地震監測中尤為重要，設計出一款便攜式、靈敏度高、穩定性好且性價比高的振動信號采集裝置既能滿足大多數采集振動信號的要求又能有效填補市場的空缺。所以本次設計的四通道振動信號同步采集裝置具有投入市場使用的光明前景[3]。

1 系統的工作原理

振動測量節點由振動測量模塊、振動信號采集模塊組成[4]。硬件電路是四個通道的PVDF壓電薄膜傳感器分別對應四個通道的電荷轉換電路、電壓放大電路、采樣保持電路。四通道傳感器拾振后輸出的振動電荷信號經過電荷轉換電路轉換成電壓信號，此時的電壓信號電壓比較小，需經過電壓放大電路將電壓信號放大，放大后的四路信號分別進入四路采樣保持電路。四路采樣保持電路對輸入的信號每隔一個時鐘周期進行一次采樣保持。四路采樣保持電路對輸入的信號采樣保持后將信號輸出到模擬開關電路，模擬開關電路與STM32單片機連接，由單片機通過控制模擬開關來實現電路的切換、選擇。最后采集到的模擬信號通過單片機的內部A/D將模擬信號轉換成數字信號，A/D轉換完成后通過單片機USB串口將振動信號數據發送到上位機顯示。系統工作原理如圖1所示。

2 系統硬件電路設計

2.1 復位電路

復位電路為STM32F103ZET6單片機的內部上電復位電路。上電復位是指在單片機在剛通電的一瞬間，各個模塊的電路電壓未處于一個正常、穩定值的情況下，單片機的運行會出現錯誤，所以在單片機上電時使用上電復位電路來讓單片機正常運行。此電路是低電平復位的，其中由R3、C12構成了上電復位電路，通過按下復位按鈕RESET來復位單片機。其復位電路如圖2所示。

2.2 晶振電路

晶振電路為STM32F103ZET6單片機的晶振電路。晶振電路中的反相器位于單片機內，通過外接晶振、電阻、電容等元器件構成振蕩電路。通過電容、電阻、電感的串聯可以等效為理想的晶振電路，當經過晶振電路的信號頻率與晶振的特征頻率相似時，此時晶振所表現出的阻抗就會非常小[5]。其晶振電路如圖3所示。

2.3 調理電路

調理電路由電荷轉換電路和電壓放大電組成。PVDF壓電薄膜傳感器用插座與調理電路連接。由于電荷傳輸容易被周圍的工頻50Hz信號干擾，PVDF壓電薄膜傳感器與調理電路之間的導線應盡可能短。該調理電路和傳感器組合在一起構成前端電路。將四個傳感器與四路調理電路分別連接后用銅柱與螺母固定在振動采集板上。其中考慮到外部振動對調理電路電路板以及板上元器件易造成松動的因素，故將調理電路單獨做成四路電路板，分別對四路傳感器輸出信號進行處理，并且將調理電路電路板面積盡可能得設計小，提高振動采集裝置的便攜性。調理電路圖如圖4所示。

由于PVDF壓電薄膜傳感器輸出微弱電荷信號且輸出阻抗高，因此采用Q/V轉換電路作為調理電路的輸入級電路，該電路將PVDF壓電薄膜傳感器采集到的電荷信號轉換成電壓信號，同時將傳感器的高阻抗輸出變為低阻抗輸出。電荷轉換電路選用AD822運算放大器作為核心。電荷轉換電路如圖5所示。C5作為電荷轉換電路的反饋電容[Cf][Rf]，R7作為電荷轉換電路的反饋電阻[Rf][Rf][6]。其中反饋電容[Rf][Cf]折合到運算放大器輸入端的有效電容[C'f]為：（A為運算放大器的開環增益）

2.4 采樣保持電路

LF398是一款反饋型采樣/保持放大芯片，在目前的電子工程應用開發中比較流行，它由場效應管構成，具有精度高、采樣率高、保持電壓下降慢等特點。，經過調理電路處理后的振動信號由P16輸入到采樣保持電路，經過采樣保持后從P18輸出。由調整1K歐姆電位器R8和VCC+的分壓實現對失調電壓的調整。其中C6作為電路的保持電容[7]。采樣保持電路如圖6所示。

2.5模擬開關設計

模擬開關模塊設計如圖7所示，X0、X1、X2、X3分別是四路采樣/保持電路的輸出端。引腳9、10、11接單片機的I/O口，通過單片機控制A、B、C控制輸入端來實現通道的選擇、切換。引腳3作為信號輸出端與單片機相連。

3 采集裝置軟件設計

3.1 單片機程序設計

該系統以單片機STM32為控制核心。程序開始運行后進行系統初始化，初始化完成后接收由上位機返回的選擇通道數量值a，通過判斷a的值來確定進行A/D轉換的通道數。接下來對所選擇的通道進行A/D轉換。最后將A/D轉換后的電壓值通過串口發送到上位機。本設計通過設置定時器來確定采樣的頻率，即每隔一個由定時器設置的時間周期就對四路所采集到的信號進行一次采樣保持操作。

分析單片機的采樣原理，本設計使用了單片機的通用定時器，通過控制定時器的中斷溢出時間來實現定時采樣。每次的定時中斷完成后判斷時鐘的中斷類型，在中斷類型正確的情況置標志位為1。單片機程序流程圖如圖8所示。

本次設計使用的是STM32的內部A/D通道1。程序初始化完成后后開啟A/D時鐘并復位A/D，對A/D的全部寄存器重設為缺省值后設置A/D的分頻因子。設置完A/D分頻因子后對A/D的參數進行初始化。并開始使能A/D轉換器，并對ADC1執行復位校準和ADC1校準。校準完成后，在A/D初步準備好后，開始設置規則系列1的通道、采樣順序以及采樣周期。設置完成規則序列后使能軟件開啟A/D轉換，使能指定的A/D軟件轉換啟動功能開啟轉換之后，就可以獲取A/D轉換后的數據了。同時在A/D轉換的過程中，要根據狀態寄存器的標志位來獲取A/D轉換的各個狀態信息，以及判斷AD轉換是否結束[8]。

3.2 上位機設計

本設計中使用LabVIEW作為上位機開發環境。上位機運行開始后首先進行程序的初始化，初始化完成后選擇通道[9]。接著通過VISA讀取函數讀取下位機發送的數據，讀取的數據經過搜索拆分字符串函數、截取字符串函數、字符串轉數值函數后成為四路體現振動信號的電壓值，最后通過捆綁函數捆綁四路信號并發送到波形顯示器顯示信號波形[10]。上位機流程圖如圖9所示。

4 實驗測試

系統在一個相對平穩的信號采集環境，將振動信號采集裝置各個模塊級聯并正確接上電源，檢查各個模塊信號燈是否正確發光以及電源輸出電流電壓是否正確。硬件電路各模塊正常運行后打開上位機軟件，選擇數據通信的串口，設置對應的串口波特率、停止位、傳輸字節數，點擊運行按鈕[11]。上位機返回數據窗口顯示接收到的四個通道的電壓信號，波形顯示器出現四個通道電壓的波形。

在無振動情況下，發送到上位機上四個通道的電壓基本穩定在2.2V。波形顯示器四個通道的波形基本重疊，可以直觀地看出是一條平穩的直線。無振動信號波形如圖10所示。

在有振動的情況下，發送到上位機上四個通道的電壓會出現0～3.3V范圍之間的跳動。波形顯示器四個通道的波形出現直觀的上下跳動，振動的幅度越大，波形跳動的幅度也越大。有振動信號波形如圖11所示。

5 結束語

本文將單片機控制技術，設計了一種基于壓電傳感器的振動信號采集系統。實現了對震動信號的實時采集并在上位機直觀地顯示波形變化。并能根據需要任意選擇、切換通道。因此本振動信號采集系統可以基本滿足對振動信號的采集要求。

本系統可以實際運用到工業、軍事領域，在不失性價比的前提下選擇更換靈敏度更高、精度更好的傳感器，再對硬件電路各個模塊進行整合，縮小采集裝置的占地面積和體積，提高裝置的便捷性。

參考文獻：

[1] 黃孟波.基于單片機網絡的振動信號的采集系統[D].江蘇：江蘇大學，2006：22-28.

[2] 張徐生.便攜式測振儀的研制[D].北京：華北電力大學，2008：8-14.

[3] Yan P， Deng Y. New seismic transducer for health monitoring of civil structure[C].? Proc. 18th IMAC， SEM. USA， 2000.149 1-1495.

[4] 吳遠方，陳光柱，周江偉，宋雨菲.基于MEMS傳感器的無線振動測量節點設計[J].儀表技術與傳感器，2017（01）：110-114.

[5] 齊建民.基于虛擬儀器技術的電源自動測試系統[J].黑龍江工程學院學報，2010（4）：63-66.

[6] 樊春玲，李志全.一種新型電荷放大器的設計與研究[J].傳感技術學報，2000（4）：297-302.

[7] 陳尚松，雷加，郭慶.電子測量與儀器[M].北京：電子工業出版社，2005.

[8] 康華光.電子技術基礎數字部分（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[9] 朱焱丹，廖俊必，何子牛.基于LabVIEW的機器視覺系統的標定[J].中國測試，2009（6）： 54-56.

[10]? 王凡，潘克修，陳萬雨，趙新璧，陳普躍.基于NI VISA的儀器驅動設計[J].電子技術，2007（2）：37-40.

[11] Shan Shan Tang，Chao Kun Wei; Design of Monitoring System for Hydraulic Support Based on LabVIEW[C]. Advanced Materials Research，2014： 2758-2760.

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